Труба із сплаву на основі цирконію і спосіб її одержання

1 Труба из сплава на основе циркония, образующая полностью или частично оболочку или трубчатую направляющую сборки ядерного реактора, отличающаяся тем, что использован сплав, содержащий 1,0-1,7 % мае олова, 0,55- 0,8 % мае железа, 0,20-0,60 % мае , по меньшей мере, одного из элементов хрома или ванадия и 0,10-0,18 % мае кислорода, при этом содержание углерода и кремния выбрано р авным соответственно от 50 до 200 %0 и от 50 до 120 %0, остальное цирконий и неизбежные примеси 2 Труба по п 1, отличающаяся тем, что сплав использован в полностью рекристаллизованном состоянии 3 Труба по п 1, отличающаяся тем, что сплав использован в полностью ненапряженном состоянии 4 Труба по пп 1, 2 или 3, отличающаяся тем, что использован сплав, содержащий 1,3 % олова, 0,60 % железа, 0,25% ванадия или хрома, 0,14 % кислорода, 140 %0 углерода и 90 %0 кремния 5 Труба по любому из пп 1-4, отличающаяся тем, что соотношение между железом и ванадием выбрано равным 2 1, причем сплав использован практически без хрома 6 Труба по любому из пп 1-4, отличающаяся тем, что соотношение между железом и хромом выбрано равным 2 1, причем сплав использован практически без ванадия 7 Труба по любому из пп 1-6, отличающаяся тем, что суммарное содержание железа и ванадия или хрома выбрано превышающим 0,7 % 8 Способ получения трубы из сплава на основе циркония, образующей полностью или частично оболочку или трубчатую направляющую сборки ядерного реактора, отличающийся тем, что предусматривает последовательно осуществляемые отливку слитка и его ковку до получения сплошного бруса, закалку бруса, предварительно нагретого до фазы р, при необходимости отжиг до фазы а при температуре от 640 до 760° С, волочение прошитой заготовки с получением трубной заготовки, при необходимости отжиг до фазы а при температуре от 600 до 750° С, холодную прокатку в несколько последовательных проходов с получением труб уменьшенной толщины с применением операций промежуточной термообработки в атмосфере инертного газа или в вакууме при температуре от 640 до 760° С и конечный отжиг в атмосфере инертного газа или в вакууме Настоящее изобретение касается труб из сплава на основе циркония, используемых в ядерном реакторе для сборки топливных элементов Такие трубы могут применяться, в частности, для изготовления оболочек топливных сердечников, наружной части таких оболочек, или даже трубчатых направляющих для размещения в них сердечников, входящих в состав пусковых групп Зоя 9 Способ по п 8, отличающийся тем, что конечный отжиг для снятия напряжений проводят при температуре от 450 до 500° С 10 Способ по п 8, отличающийся тем, что конечный отжиг для рекристаллизации проводят при температуре от 565 до 630° С 11 Способ по любому одному из пп 8-10, отличающийся тем, что совокупность операций по термообработке такова, что параметр SA составляет от 10 18 до 10 16 12 Способ по пп 8, 9 или 10, отличающийся тем, что после закалки отжиг проводят при температуре около 730° С 13 Способ по п 12, отличающийся тем, что после волочения отжиг проводят при температуре около 650° С О 42041 Часто для изготовления таких оболочек применяют трубы из сплава, именуемого «Циркалой 4» (Zircaloy 4), содержащего в основном цирконий, 1,2-1,7 % вес олова, 0,18-0,24 % вес железа, 0,07-0,13 % вес хрома и 0,10-0,16% вес кислорода, и описанный в частности в DE А-38 05 124, принятый в качестве прототипа) Были также предложены многочисленные сплавы, содержащие указанные элементы, в частности, сплавы, в которых хром заменен полностью или частично на ванадий, и/или в которых содержание кислорода превышает указанную выше величину, соответственно при снижении содержания некоторых других вводимых элементов Требуемыми свойствами трубы, используемой в качестве оболочки, являются, в частности, хорошая коррозионная стойкость к воде под высоким давлением и при высокой температуре, ограниченная ползучесть в течение длительного срока, длительное сохранение механических свойств, ограниченное увеличение размеров под действием облучения и пониженная чувствительность по отношению к литию, однако такие свойства должны обеспечиваться постоянно, а используемый сплав должен обладать, с металлургической точки зрения, свойствами, позволяющими на разных стадиях обработки (особенно при прокатке) сводить брак до приемлемой величины Поставленная задача решена тем, что в трубе из сплава на основе циркония, образующего полностью или частично оболочку или трубчатую направляющую сборки ядерного реактора, согласно изобретению, использован сплав, содержащий 1-1,7 % мае олова, 0,55-0,8 % мае железа, 0,200,60% мае , по меньшей мере, одного из элементов хрома или ванадия и 0,10-0,18% мае кислорода, при этом содержание углерода и кремния выбрано равным соответственно от 50 до 200%о и от 50 до 120 %о, остальное цирконий и неизбежные примеси Ванадий присутствует, главным образом, в мелкодисперсных выделениях в виде Zr(Fe,V)2, хром также присутствует в выделениях в виде Zr(Fe,Cr)2 Повышенное соотношение Fe/(V+Cr), способное превысить 3/1, позволяет еще больше увеличить стойкость к коррозии в среде, содержащей литий Как правило, такое соотношение приближается к 2/1 Вообще предпочтительно применять либо только хром, либо только ванадий, а не оба в сочетании Выбор точного состава в пределах приведенного диапазона определяется свойствами, имеющими приоритетное значение Часто сплав с содержанием 1,3 % Sn, 0,60 % Fe, 0,25 % V или Сг, 0,14 % О2, 140 % С и 90%о Si является удачо ным компромиссом Присутствие ванадия снижает фракции поглощенного водорода, и как следствие, уменьшает хрупкость и повышает коррозионную стойкость в водной среде при высоких температуре и давлении даже в условиях локального вскипания При необходимости максимально возможного снижения ползучести на начальной фазе применения внутри реактора целесообразно повысить содержание олова, углерода и/или кислорода Содержание углерода свыше 100 % цео лесообразно сточки зрения ползучести, но при содержании более 200 % становится значительным о явление разбухания под действием радиации Содержание кремния «контролируется» в целях использования его эффекта регулировать структуру и положительного влияния на коррозионную стойкость Повышенная сумма трех элементов (Fe+VСг) ведет к уменьшению зерна в структуре сплава, что является фактором положительной коррозионной стойкости под нагрузкой, пластичности после воздействия радиации, механических свойств и обрабатываемости Такая сумма часто составляет не менее 0,70 % Поставленная задача решена также и тем, что в способе получения трубы из сплава на основе циркония, образующей полностью или частично оболочку или трубную направляющую сборки ядерного реактора, согласно изобретению, предусматривают последовательно осуществляемые отливку слитка и его ковку до получения сплошного бруса, закалку бруса, предварительно нагретого до фазы р, при необходимости отжиг до фазы а при температуре от 640 до 760°С, волочение прошитой заготовки с получением трубной заготовки, при необходимости отжиг до фазы а при температуре от 600 до 750°С, холодную прокатку в несколько последовательных проходов с получением труб уменьшенной толщины с применением операций промежуточной термообработки в атмосфере инертного газа или в вакууме при температуре от 640 до 760°С, и конечный отжиг в атмосфере инертного газа или в вакууме Такой оптимальный состав позволяет трубе в своем окончательном состоянии быть либо в полностью ненапряженном, либо в полностью рекристаллизованном состоянии, в зависимости от требуемых свойств Целесообразно конечный отжиг проводить при температуре от 450 до 500°С (предпочтительно при температуре около 435°С) для снятия напряжений и при температуре от 565 до 630°С (предпочтительно при температуре около 580°С) для рекристаллизации Совокупность операций потер Стойкость сплавов «Циркалой» под действием радиации является фактором, препятствующим совершенствованию условий эксплуатации ядерных реакторов в направлении продления срока службы, в частности, по причине общей коррозии В основу изобретения поставлена задача создать трубу из сплава на основе циркония, образующую полностью или частично оболочку или трубчатую направляющую сборки ядерного реактора, а также способ ее получения, в которых благодаря оптимальному составу сплава и оптимальной технологии была бы достигнута способность трубы рекристаллизовываться втом случае, когда требуется, прежде всего, хорошая устойчивость ползучести, или находиться с металлургической точки зрения в ненапряженном состоянии, за счет чего повышается рентабельность изготовления трубы при жестких размерных допусках (особенно при придании овальной формы) и стойкость к общей коррозии 42041 мообработке предпочтительно должна быть такой, чтобы параметр термообработки SA составлял от 10 18 до 10 16, причем SA равен произведению времени t в часах на экспоненту (-40000/Т), где Т взято по Кельвину Первый отжиг после закалки предпочтительно проводить при температуре около 730°С, второй после волочения предпочтительно при температуре около 650°С Полученная таким образом труба более не подвергается термообработке, изменяющей структуру ее материала, до момента ее использования в качестве трубчатой оболочки или трубчатой направляющей Кроме того, предусмотрены операции обработки поверхности и затем проведение испытания Обработка поверхности может производиться, в частности, в виде пескоструйной обработки и химической очистки с последующей промывкой Обработка поверхности может быть дополнена полированием с применением колеса Контроль осуществляется визуальный классический, ультразвуковой и/или посредством тока Фуко Другие признаки будут лучше поняты при ознакомлении с описанием отдельных вариантов выполнения изобретения Были найдены следующие, представляющие интерес химические составы Состав I II III Олово 1,3 1,3 13 Железо Ванадий Хром 0,6 0,3 0 0,6 0,25 0 0,6 0 0,25 Кислород Углерод Кремний 0,12 140 90 0,14 140 90 0,14 140 901 Остальные компоненты составляли цирконий и примеси Исходный сплав применялся в виде слитка В результате ковки или прокатки из него получали брус, который после нагрева до фазы р закаляли в воде с контролируемой скоростью для перевода в альфа-область, например, скорость охлаждения составляла от 5°С в секунду до 30°С в секунду до температуры приблизительно менее 800°С Отжиг после закалки производили при температуре ниже 800°С с целью предупреждения перехода фазы а в фазу р После обработки трубной заготовки и нагрева ее до температуры от 600 до 700°С производили волочение Тянутая заготовка, при необходимости отожженная при температуре ниже 800°С, подвергается затем холодной прокатке в несколько последовательных проходов для получения трубы требуемой толщины, с использованием промежуточных отжигов в атмосфере аргона, каждый из которых длился три часа для обеспечения оптимального SA Практически требуются от четырех до пяти проходов для получения массивных трубчатых оболочек с необходимым диаметром и толщиной В заключение проводится окончательный отжиг в инертной среде при температуре около 485°С в течение 3 часов в том случае, когда требуется получить ненапряженную структуру, и при температуре около 580°С в течение 2 часов, когда требуется рекристаллизованное состояние Испытания проводились на образцах с целью сопоставления сплавов согласно изобретению с разным содержанием олова со сплавами типа Цирокалой-4 Общая коррозия Испытания на рекристаллизованных образцах проводились в автоклаве, в среде пара и воды Результаты приведены в нижеследующей таблице 1 Таблица 1 Сплав Снижение веса ДР(мг/дм2) Вода 350°С, 210 суток Пар 400°С, 30 суток ZrO,6Fe, 29,2 26,4-38,5 0,3V ZrO,6Fe, 31 27,5 32,2 30,4 32 30,9 43,9-47,2 32 0,3V, 0,5 Sn ZrO,6Fe, 0,3V, 1,0 Sn ZrO,6Fe, 0,3V, 1,5 Sn (изобретение) Циркалой 4 42041 Полученные результаты, в частности, по сплаву 4 согласно изобретению, показывают, что повышение содержания олова с 0 до 1,5% не оказывает влияния на стойкость к общей коррозии в среде пара и воды Коррозия в среде лития и сопротивление ползучести Влияние содержания олова на коррозионную стойкость сплавов типа Циркалой 4 в среде гидроокиси лития исследовалось в воде с содержанием 70 %о лития при температуре 360 °С Результаты приведены в таблице 2 Таблица 2 Уменьшение в весе ДР( мг/дм2) Содержание Sn в сплаве, % 50 суток 100 суток 150 суток 1 1,3 0,5 48 51 35 78 85 72 112 149 740 Содержание Sn (%) 1,5 (изобретение) "ел Положительное влияние повышенного содержания олова (от 1,2 до 1,5 %) на коррозионную стойкость в среде гидроокиси лития было установлено на сплавах, полученных согласно изобретению Повышенное содержание олова оказалось благоприятным и для ползучести данного сплава Действительно, замеры диаметральной ползучести SD при 400°С в течение 240 часов и при давлении 130 МПа, проводившиеся на ненапряженном сплаве, дали следующие результаты 1,3 (изобретение) 2 0,5 4,2 Полученные результаты показывают квазилинейное соотношение между содержанием олова и показателями ползучести Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3-72-89 (03122) 2-57-03 42041